CN100543451C - 激光调频旋光仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光调频旋光仪，涉及旋光测量仪技术领域；所要解决的是体积小、成本低、测量准确度高的旋光仪技术问题；该旋光仪，包括机电部分和光路部分，其特征在于，光路部分依次包括能调频的激光源、起偏器、用来装待测物质的试管、检偏器和光电倍增管；激光源发出的激光通过起偏器变为线偏振光，线偏振光经过试管内的旋光物质后振动面旋转，这束光再穿过检偏器，进入光电倍增管；所述选频放大单元用于选择激光源频率的信号而滤除其它频率的信号。本发明的激光调频旋光仪与传统的旋光仪所完成的功能完全相同，且具有体积小、成本低、测量准确度高的特点。

Description

激光调频旋光仪

技术领域

本发明涉及检测技术，特别是涉及一种使用调频激光的旋光仪的技术。

背景技术

旋光分析法(简称旋光法)是利用线偏振光，通过含有化学活性物质的溶液或液体时引起旋光现象，使通过的偏振光平面向左或向右旋转。因此，在一定的条件下，检测线偏振光旋转的方向和度数，可以分析某些化合物的旋光性，或检测化合物的杂质、纯度和含量。用于测量旋光度的仪器，被成为旋光仪。旋光法多用于糖类的含量测定，近年来，制药、食品加工、化工和生化分析等领域也都涉及到这一方法。

物质的旋光度的大小与下列因素有关：一是与物质的温度有关。有的物质随温度的升高而增加，如石英等。有的物质随温度的而减小，如蔗糖等。二是与线偏振光的波长有关，波长不同，旋光度也不同。

旋光质的旋光度a(线偏振光经物质后传播路径转过的角度)与旋光物质溶液体积百分比浓度c即偏振光所通过的溶液厚度1成正比，

a＝kc1                 (1)

其中c为g/100ml，1为mm。

图1为以往旋光仪的结构与原理图。

由钠灯1，聚光镜2和场镜3构成光源部分，发出波长589.44nm的近似平行光。起偏器4仅让光源中的某一特定线偏振光透过。这束线偏振光通过调制器(法拉第线圈)5，再透过准直镜6到达试管7的内部。检偏器8与起偏器一样，仅通过某一特定线偏振光。从检偏器8出来的线偏振光透过物镜9、滤色片10和光栏11到达光电倍增管12。光电倍增管12将光信号变电信号，这个电信号被前置放大14放大，经过选频滤波15后再由功率放大16进行功率放大，然后推动伺服电机19来带动机械传动20，调整检偏器8使之与起偏器4正交。当检偏器8与起偏器4正交时，机械传动20将转过的角度送给模数转换21，并将模拟量换成数字信号通过数字显示22显示出来。测速反馈18测得伺服电机19的转动速度，通过非线性控制17调控伺服电机的转速。自动高压13是按照入射到光电倍增管的光强自动改变光电倍增管的电压，以适应测量透过深色样品的需要。

下面说明以往旋光仪的测量调制原理。

图2中，横轴是起偏器4的透射轴与检偏器8的透射轴的相对角度，纵轴是到达光电倍增管12的光的强度。当被测试物质具有旋光性时，由马吕斯定理可得光强I与旋转角θ之间的关系，关系式如下：

I＝I0×cos²θ        (2)

式中的I。表示透射过被测试物质的光的强度。

图3中采用法拉第磁光调制器，使光在媒体中传播时，在其传播方向上叠加上磁场，则出现光的偏振方向将随着法拉第线圈转动而旋转的现象。

光法拉第效应可以用下式表示

a＝V*H*L            (3)

式中，a为光振动面的旋转角度，V为媒体(例如棒状的铅玻璃及铅玻璃周围形成的螺旋线圈)的费尔常数，H为磁场强度，L为传播距离，这里，V因媒体、光的波长及温度而异。

当光在其中传播时，由于线圈内的磁场，使得光的震动的平面产生旋转。通过控制流过调制线圈的电流，能够自由改变光振动面的旋转角度。在图3中，A表示到达光电倍增管的光强，B、C、D分别表示由法拉第调制线圈引起的附加转动的交变光强.那么I就可以表示为下式：

I＝I₀×cos²[θ+βsin(ωt)]        (4)

式中，t表示时间，θ是旋转角，β表示透过法拉第调制器线圈的振动面的振幅，

ω是其角频率。

当起偏器4与检偏器8正交的时候θ为0，则I可以表示为：

I＝I₀×cos²[βsin(ωt)]          (5)

不正交时θ可用下式表示

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\δ}---\left(6\right)$

若将式(5)代入(4)，则可以导出下式来

I＝I₀×sin²[δ+βsin(wt)]        (7)

若设被测物质产生的旋光角及调制振幅较小，即|θ|≤1及|β|≤1，则(7)可以近似表示为：

I＝I₀×[δ+βsin(wt)]²

＝δ²+2δβsin(ωt)+[sin(ωt)]²    (8)

由上式可以看出，在光电倍增管的输入端含有直流分量、ω角频率和2×ω角频率的分量。设定选频放大器的频率为则取出的分量为：

S＝2δβsin(ωt)                 (9)

这个分量(如上面介绍)就是驱动后续电路的信号。当检偏器与起偏器正交的时候。S的分量消失，电机停止转动，数字显示器显示出起偏器转过的角度。

以往旋光仪的电源主要由整流滤波电路和直流稳流电路构成。图4为其结构图。

整流滤波电路，主要由Db1-4和Cb1构成。Db1-4是桥式全波整流电路，Cb1是滤波电容。

直流稳流电路的稳流过程：

当交流转换开关K3在交流挡时，因为钠光灯没有接入支流稳流电路，通过Rb2的电流近似为零。Wb的中心到A点的电压为0v，使Tb1的Ube为0v而使Tb1截止使B点电位为29V。因为K3在交流挡，使Tb1、Tb2、Tb3构成的复合调整管的发射极没有支流通路，Tb1、Tb2、Tb3截止。当K3从交流挡转换到支流挡时，复合调整管的发射极通过BX2、Na和Bb2到电源负极构成通路。在刚转换到直流挡的瞬间，因为B点电位约为29V，使复合调整管的发射极电流较大，这一电流在取样电阻Rb2两端产生右正左负的电压也较大，这一电压通过Wb的中心头使取样放大管Tb1的Ube升高较多，Ube升高控制Tb1的集电极电位下降，即B点电位下降较多。B点电位下降使复合调整管的基极电位下降，基极电位下降控制复合调整管的集电极电流下降，直到稳定为恒定电流I0，复合调整管的集电极电流就是通过钠光灯的直流工作电流，即使通过钠光灯的直流工作电流下降到恒定电流I0，当某种原因使通过钠光灯的直流工作电流减小时，钠光灯电流在Rb₂两端产生的电压也减小，稳流过程与上述相反。也就是说在K3刚转换到直流挡的瞬间，通过钠光灯的直流工作电流较大，由于稳流电路的作用，使通过钠光灯的直流工作电流立即下降到恒流值上。若有某种原因使通过钠光灯的直流工作电流减小，由于稳流电路的作用，使通过钠光灯的直流工作电流立即回到恒流值上。恒流值的大小通过Wb进行调整。钠光灯Na的电流，以免钠光灯过流或过压损坏。CL、RL是防止在接通或断开钠光灯的电源瞬间，在BL两端产生过高的反电势，以免损坏交直流转换开关K3和钠光灯。BX2是过流保险管，防止大电流损坏钠光灯。Db1～4将电源变压器次级送来的24V/50Hz交流电进行全波整流，通过Cb1滤波，在Cb1两端得到约29V的直流电压。

电路构成及元件作用：主要由Tb、Tb1、Tb2、Tb3、Rb1、Rb2、Wb、Cb2等元件构成。Tb、Tb2、Tb3构成复合调整管电路。Tb1与Wb取样电阻Rb2等构成取样放大电路。Rb1既是复合调整管的偏流电阻，又是取样放大电路的负载电阻。Wb是钠光灯工作电流调整电位器。

就上述旋光仪而言，虽然法拉第线圈提高了测试的精确度，但是用法拉第线圈增加了成本，而且目前市场上用的旋光仪的法拉第线圈用的交流电为50Hz，这样的噪声和干扰都比较大，影响测量精度。电源部分的电路设计复杂，先用交流然后改直流。钠灯容易老化，钠灯在交流挡工作正常，但当打到直流挡后容易发生熄灭或发光过强等问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种体积小，成本较低，能提高测量准确度的，并与传统的法拉第线圈所完成的功能完全相同的激光调频旋光仪。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种激光调频旋光仪，包括机电部分和光路部分，机电部分包括依次连接的光电倍增器、前置放大单元、选频放大单元、功率放大单元、伺服电机、机械传动单元、模数转换单元、数字显示单元；光电倍增管是将光信号转换为电信号，这个电信号就是后续电路单元处理的对象。前置放大单元是放大从光电倍增管发来的电信号，放大此信号以驱动选频单元放大，在本发明中，选频放大单元选择激光源频率的信号而滤除其他频率的信号。功率放大单元是放大选频放大后的信号，以便驱动伺服电机，使伺服电机带动机械传动单元调整检偏器的角度。最后将机械传动单元转过的角度通过模数转换单元转换为数字信号，通过数字显示单元显示出来。伺服电机经测速反馈单元和非线性控制单元连接并反馈控制功率放大单元，以控制电机的转动速度；选频放大单元经自动高压单元连接并调整光电倍增管的放大倍数，自动高压单元用于按照入射到光电倍增管的光强自动改变光电倍增管的电压，以便适应不同浓度和颜色的物质，如适应测量透过深色样品的需要；其特征在于，光路部分依次包括能调频的激光源、起偏器、用来装待测物质的试管、检偏器和光电倍增管；激光源发出的激光通过起偏器变为线偏振光，线偏振光经过试管内的旋光质旋转，这束光再穿过检偏器，进入光电倍增管，频率为f的激光经过起偏器、待测物和检偏器后的频率不变，光电倍增管将光信号转换成电信号，并输入前置放大单元，以驱动伺服电机。

进一步的，所述激光源的频率调至1kHz—100kHz。

利用本发明提供的激光调频旋光仪，由于采用频率可调的激光源来代替以往的法拉第线圈调制部分和钠灯光源，与传统的旋光仪相比，激光光源完成了传统旋光仪中的光源和法拉第磁感应线圈两项功能，而且激光器的体积小，成本较低，所以整体的成本也较低，且由于激光光强较强也提高测量的准确度。另外选用可调频激光光源替代钠灯光或近红外，输出光强的频率f可以调节。频率为f的激光经过起偏器、待测物和检偏器后的频率不变，这个频率f就是选频器所选的频率。检偏器和起偏器正交时，通过检偏器的光强频率虽为f，可是光强很弱不足以带动后续电路。检偏器和起偏器不正交时，光强频率f被选频放大带动伺服电机转动。这样就完成了传统旋光仪中的法拉第线圈的功能。

附图说明

图1是现有技术中旋光仪的结构与原理示意图；

图2是现有技术中马吕斯定律曲线示意图；

图3是现有技术中法拉第线圈的工作原理曲线示意图；

图4是现有技术中旋光仪的电源电路图；

图5是本发明实施实例的激光调频旋光仪原理框图；

图6是本发明实施实例激光调频电源的原理框图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

如图5所示，本发明实施例所提供的一种激光调频旋光仪，包括机电部分和光路部分，机电部分包括依次连接的光电倍增管、前置放大单元、选频放大单元、功率放大单元、伺服电机、机械传动单元、模数转换单元、数字显示单元；光电倍增管是将光信号转换为电信号，这个电信号就是后续电路单元处理的对象。前置放大单元是放大从光电倍增管发来的电信号，放大此信号以驱动选频单元放大，在本发明中，选频放大单元选择激光源频率的信号而滤除其他频率的信号。功率放大单元是放大选频放大后的信号，以便驱动伺服电机，使伺服电机带动机械传动单元调整检偏器的角度。最后将机械传动单元转过的角度通过模数转换单元转换为数字信号，通过数字显示单元显示出来。激光源是可以调频率的，用来发射激光。起偏器只通过某一特定振动平面的光，其他振动平面的光被滤除。试管用来装待测物质。检偏器的原理和起偏器一样，只通过特定振动平面的光。伺服电机经测速反馈单元和非线性控制单元连接并反馈控制功率放大单元，以控制电机的转动速度；选频放大单元经自动高压单元连接并调整光电倍增管的放大倍数，自动高压单元是按照入射到光电倍增管的光强自动改变光电倍增管的电压，以便适应不同浓度和颜色的物质，如适应测量透过深色样品的需要；其特征在于，光路部分依次包括能调频的激光源、尼科尔棱镜起偏器、用来装待测物质的试管、尼科尔棱镜检偏器和光电倍增管；激光源发出的光频为f的激光通过尼科尔棱镜起偏器变为线偏振光，现偏振光经过试管内的旋光质旋转了a角度，这束光穿过尼科尔棱镜检偏器，光电倍增管将光信号转换成电信号，并输入前置放大单元；前置放大单元将光电倍增管传来的信号放大，电信号被选频放大单元选取f频率的信号。虽然激光的频率经过上述的过程频率没有改变，但是为了减小误差提高灵敏度，仍然用选频放大单元。f频率的信号经功率放大单元，以驱动伺服电机。

如图6所示，本发明实施实例激光调频旋光仪的能调频的激光源，由供电模块经驱动模块连接LD激光输出单元，并由LD激光输出单元经管内PD反馈单元、电流转电压单元、反馈量控制模块连接并反馈控制驱动模块；由供电模块提供功率的输出，再由驱动模块提供驱动电流和电流反馈量，驱动电流即可驱动LD激光输出单元的半导体激光器产生光功率输出。采用光功率反馈，则在LD输出的光功率信号经管内PD取样后产生的电流信号通过电流换电压单元的转换，作为反馈量被送入反馈量控制模块，以控制驱动模块，达到控制激光输出的目的，通过供电方式的不同来控制激光的频率。

Claims (2)

1、一种激光调频旋光仪，包括机电部分和光路部分，机电部分包括依次连接的光电倍增管、前置放大单元、选频放大单元、功率放大单元、伺服电机、机械传动单元、模数转换单元、数字显示单元；所述光电倍增管用于将光信号转换为电信号，所述前置放大单元用于放大从光电倍增管发来的电信号，所述功率放大单元用于放大选频放大后的信号，以便驱动所述伺服电机，使伺服电机带动所述机械传动单元调整检偏器的角度；伺服电机经测速反馈单元和非线性控制单元连接并反馈控制功率放大单元，以控制电机的转动速度；选频放大单元经自动高压单元连接并调整光电倍增管的放大倍数；其特征在于，所述的光路部分依次包括能调频的激光源、起偏器、用来装待测物质的试管、检偏器和光电倍增管；激光源发出的激光通过起偏器变为线偏振光，线偏振光经过试管内的待测物质后旋转，这束光再穿过检偏器，进入光电倍增管；所述选频放大单元用于选择激光源频率的信号而滤除其它频率的信号。

2、根据权利要求1所述的激光调频旋光仪，其特征在于，所述激光源的频率调至1kHz—100kHz。

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